第8章.精细有机合成氧化模板

8.2.4 石蜡氧化制脂肪醇 上面介绍的是石蜡氧化制脂肪酸，如果对氧化过程进行适 当控制，可使氧化停留在醇这一步，是制高C脂肪醇的途径之 一。由石蜡氧化制高C脂肪醇的条件是：①氧化剂空气量要小，
所用空气是含氧3~4.5%（体积百分数）的贫氧空气；②使氧化
停留在醇这一步，避免进一步氧化发生，需加4~5%硼酸，使 得到的醇形成硼酸酯：
水洗：分出能溶解于水的C1-5低C脂肪酸，高C脂肪酸尚在 有机相中。
皂化：120℃下加Na2CO3或NaOH使高C脂肪酸成Na盐溶于 水中，部分酯水解为酸的钠盐溶于水中，称粗皂液在下层； 水中不溶物在上层（包括未反应的石蜡、醇、醛、酯等，称 Ⅰ级不皂化物）返回反应器重新氧化。
热处理：粗皂液中仍含有一部分氧化不完全的不皂化物，将 其在压力，高温加热处理。
苯甲酸(89%)，控制甲苯转化30%左右
CH 3
苯甲醛(26%) + 苯甲醇(30%) +苯甲酸(24%)
乙苯、 丙苯液相氧化，反应发生在苯环侧链的 α-C上, O
O C CH 3
，
C
C2 H 5
（缓和条件）；若在较高温度下氧化得
到的是苯甲酸。
二甲苯氧化： 邻二甲苯大多通过气相催化氧化制邻苯二甲酸酐。
醇又可转化为烷氧基自由基,然后再转化为酮。
-
O . R. R1CH2CCHR O2 2
=
O O-OH R1CH2CCHR2 =
然后C-C键断裂生成一分子酸和一分子醛： O= OO-OH R1CH2CCHR2 − = R1CH2COOH + R2CH
4. 生成的酸有可能进一步被氧化成羟基酸、内酯、交 酯、酮酸、二元酸等副产。
有人做，但在生产上尚未使用。
8.2.3 石蜡氧化工艺过程
石蜡氧化过程可以采用间歇方法，也可采用连续方法。液
相氧化属于非均相反应，反应是气-液或气-液-固多相催化过程，
反应发生在相接触面上，必须考虑传质问题。另外，氧化时又 有大量反应热放出，必须考虑传热问题，而且在反应初期引发 阶段又需要加热，使温度保持在130℃，设计反应器应考虑这 些要求。 氧化器设计为釜式和塔式两种，下图为液相催化氧化
8.2.5 芳环侧链烷基及环烷烃的液相催化氧化
这类氧化也是游离基历程，与直链烷烃氧化的不同之处
是，这类氧化副反应较少，其原因在于：直链烷烃C上H的离 解能较高，而且各个位置上离解能差异不是太大，都有被氧 化的可能，氧化过程中伴随有C-C键断裂。而环烷烃和芳环 侧链烷基上H的离解能相对较低，比较容易被氧化，而且分
图：液相催化氧化器示意图
石蜡氧化工艺过程中氧化部分并不是很复杂 ，但是由于 氧化产物中副产较多，后处理过程复杂，其分离步骤有： 水洗
去氧化
皂化
管式炉热处理
Ⅰ 级不皂化
节流闪蒸
Ⅱ 级不皂化 H2O
酸化
分馏
NaOH Na2CO3
320~400℃
氧化物
水洗
C1-5酸
皂化
120℃
热处理
2MPa
闪蒸
酸化
分馏
是很大，所以还存在C-C断键问题。石蜡氧化是带分支的自 由基反应，至今没完全搞清楚，一般认为包括三个阶段： 1.烷烃离解形成自由基，进一步转化为过氧化氢物; 2.过氧化氢物再离解得烷氧自由基，进一步转化为醇、酮; 3.酮被氧化成酸或羰基化合物。
1. 过氧化氢物的生成
由于氧分子离解能较大，所以石蜡氧化的引发过程是烃 类脱氢形成烷基自由基: . R1CH2CH2CH2R2 R1CH2CHCH2R2 + H . . O-O . R1CH2CHCH2R2 + O2 R1CH2CHCH2R 2 O-O . R1CH2CHCH2R2 + R1(CH2)3 R2 O-O H . R1CH2CHCH2R2 + R1CH2CHCH2R2 2. 过氧化氢物离解进一步反应得醇、酮 上述生成的过氧化氢物离解能很低(125－168 kJ/mol),受 热很容易离解成两个新自由基： O-O H O. R1CH2CHCH2R2 R1CH2CHCH2R 2 + . OH -
间二甲苯和对二甲苯是采用液相氧化工艺制间苯二甲酸 和对苯二甲酸。苯环上二个甲基中当有一个被氧化成羧基后 起钝化作用，使第二个甲基氧化活性大大下降，所以二甲苯 氧化可以停留在甲基－苯甲酸阶段。工业上采用HAc作溶剂， 醋酸钴、醋酸锰及溴化物为催化剂，在170~230℃， 2~2.5MPa下反应，一步法制苯二甲酸。
而氧化反应是：RH R. + O2 ROO. +RH
. . + H. R RO-O . RO-OH + R.
下面具体介绍石蜡氧化的反应历程： 石蜡氧化在各个位置C上的氢都有被取代的可能，但位 置不同反应活性不同，仲C>伯C，即非端位C比端位C容易
被氧化，而且从上表可见，C-C离解能与C-H离解能差异不
CH3
CH CH3
酸解
OH
CH 3
CH3
CH 2 O H
CH O
CO O H
CnH2 n+ 1 CH2 O H
CnH2n+1CH3 石蜡
CnH 2 n+ 1 CO O H O A r CH 3 N H3
A r CN
氧化反应的分类，根据所用氧化剂和氧化工艺主要分三类： 1. 空气催化氧化：工业上用得最多，尤其是大吨位品种多采 用这种方法。该法使用廉价空气作氧化剂，不消耗化学氧 化剂，对环境污染小，根据反应温度及反应物聚集状态分 为液相氧化、气相氧化。 2. 化学试剂氧化：适用面广，特别适用于小吨位产品的生产， 常用氧化剂有无机的高价化合物 KMnO4、K2Cr2O7、 NaClO3、HNO3、H2O2；有机过氧化物，硝基化合物，亚 硝基化合物等。 3. 电解氧化：在电能作用下进行的反应，能得到专一选择性 产物（控制电压、选择电极）分为直接电解和间接电解氧 化两类，目前应用不是很广泛。
子上各个位置C的活性差异较大，所以这类氧化反应位置选
择性好，副反应较少。
这类氧化用的催化剂以钴盐最有效，有油溶性的环烷酸
钴、硬脂酸钴、油酸钴、水溶性的醋酸钴。 对于较易氧化的，可以不加催化剂，如异丙苯氧化只要 热引发即可。
1.烷基苯（甲、乙、丙、多甲苯）的氧化
甲苯液相催化氧化的产物有苯甲醇、苯甲醛、苯甲酸。 氧化控制在不同的反应条件下，得到的产物不同，如：
由此可见，在石蜡氧化液中除主产脂肪酸外，还含有未氧 化的石蜡、醇、醛、酮等中间氧化物，以及过氧化副产物等。
8.2.2 石蜡液相氧化催化剂 烃类液相氧化催化剂的作用是引发自由基，一般采用可 变价态的过渡金属，目前生产上石蜡氧化普遍采用锰化合物 作催化剂，此外钴、铬、钼、铁、镍等金属也都可以。还有 加入过氧化物，或采用r射线照射引发的。
或催化分解： O-O H n+ R1CH2CHCH2R2 + Mn 再进一步反应： O. R1CH2CHCH2R2 + RH O. 2R1CH2CHCH2R2 3.酮进一步氧化为酸 酮通过另一个自由基历程转化为酸，由于烷基自由基是亲 核的，容易进攻酮分子中羰基邻位的C，形成新的过氧化物： O R1CH2CCH2R2 = O. (n+1)+ R1CH2CHCH2R 2 + Mn + OH . OH R1CH2CHCH2R 2 + R. O OH R1CH2CHCH2R 2 +R1CH2CCH.2R2 = -
第8章 氧化（Oxidation）
8.1 概述
8.2 液相催化氧化 8.3 气相催化氧化
8.4 氨氧化制腈
8.5 化学试剂氧化
8.1 概述
氧化反应在有机合成中是常用的一类重要反应，涉 及到很多产品的合成。
CO
O CH3 CH3 O CH-C
O CO
CH-C
O
H O2
O
OH
H
H
H
己二酸
CH 3 C-O -O H
2. 异丙苯氧化
CH 3
CH(CH3)2 空气
105~ 120 ℃
C-O-OH CH 3
由于叔C上的H-C键容易被氧化，故不用催化剂。工业 上控制过氧化氢物含量在25~28%，若浓度太大，尤其是物 料呈酸性时，易发生热分解：
CH 3 C-O -O H CH 3 CH 3 C-O CH 3 CH 3 CH-O H(二甲基苯甲醇) CH 3 O C-CH 3
ROH
3ROH + B(OH)3
B(OR)3 + H2O
然后水解得醇。这种生产高C醇的方法还没有得到推广，在
日、美、前苏联已实现工业化。
生产脂肪醇另有途径： 1.以天然油脂为原料，经酯交换，加氢得到； 2.以石油化工原料，低碳烯烃齐聚得α-烯烃，羰基化，
加氢制醇。
前者醇的质量好，工艺较简单，成本低；后者工艺复 杂，定额高，能耗大，成本高,原料来源丰富。
CH3
CH(CH3)2
ห้องสมุดไป่ตู้
O
C-O-OH H
CH3
OH
CH3 CH(CH3)2 O
CH3
CH3 CH3 C-O-OH CH3 H OH
CH3 CH(CH3)2 O CH3 CH(CH3)2 C-O-OH CH3 OH C-O-OH CH3 OH H
3.环烷烃氧化
H 加H H OH H O
O
H
硬脂酸钴
100~105℃
反应器示意图，图（c）为塔式反应器， 有加热和冷却用的蛇
管，没有搅拌，传质通过空气鼓泡实现，在反应器下部有气体 分布器，有时为了强化传质， 使气-液接触更好，提高反应速
度，可将分布器上小孔用喷嘴代替。在连续生产工艺中，反应
的液体物料用泵强制循环。
空气
空气 物料 物料 水 水
水
蒸汽
空气
(a)
(b)
(c)
8.3 气相催化氧化
有些芳烃、环烷烃、烯烃要在较高温度下，催化剂存在下 被空气氧化，这些烃类在高温下呈气体状态，是气相催化氧化。
CH3 O C O CH3 C O
O C C4H8 O CHO C O O
o
o
气相催化氧化都采用连续化生产，其优点是：反应速度 快，生产效率高，后处理简单，设备投资费用低，便于自动 化控制，催化剂可长期使用。但也有局限性：催化剂选择较 难，而且通用性差；由于反应温度高，要求反应原料和目的 产物在反应条件下具有稳定性。
(苯乙酮)
异丙苯氧化反应器：装有冷却管的塔式设备，塔内是泡 罩塔板或筛板，以使空气泡均匀分散，工艺过程有两类：a. 逆流操作，异丙苯由塔上通入，空气由下部通入，氧化液由 塔底排出；b.并流操作，异丙苯、空气都从塔下部进入，氧 化液从塔上部排出。两者比较，并流操作比逆流要好——过 氧化氢物选择性好，副产相对少些，消耗定额低。 异丙苯氧化是制苯酚的重要方法之一，采用类似的工艺 可制得相应的酚类：
闪蒸：在汽液分离器中进行闪蒸，水和不皂化物被汽化，由 分离器上口排出，冷凝为水+Ⅱ级不皂化物，后者也送去重 新氧化。 酸化：分离器下部的脂肪酸钠盐用H2O溶解，再用H2SO4酸 化，得粗脂肪酸，最后进行蒸馏分离出不同分子量脂肪酸。 为提高生产效率，采用连续氧化工艺，其优点是节省加 料、出料时间，提高生产能力20%，主要问题在于氧化物料 容易堵管，须采取适当措施解决。
H O2 O
OH
H
H
H
己二酸
甲苯、异丙苯氧化也属于此类反应。液相催化氧化工 艺过程应用广泛。
8.2.1 氧化反应历程 是自由基历程，分为三个阶段，即自由基引发，链的 传递，链的终止。关键是自由基引发，一旦生成自由基， 传递很快。 分子均裂形成自由基的难易用键的离解能来衡量。下 表给出键的离解能：
各种C-H的离解能介于 435-314kJ/mol C-C的离解能介于 368-301kJ/mol 而Cl2 是 243kJ/mol 、 O2是 494kJ/mol 氯化反应是 Cl2 RH + Cl. R. + Cl2 2Cl· R. + HCl RCl + Cl·
为进一步提高氧化速度，减少副反应发生，用过渡金属 催化剂氧化时，还须加助催化剂钾或钠化合物。工业上多用 锰-钠、锰—钾催化剂。锰的作用是通过电子得失引发烷基自 由基生成，促进烷基过氧化物分解为烷氧自由基，在氧化过 程中Mn价态发生改变；Na、K助催化剂的作用是加快主反应， 抑制过氧化发生。 工业上使用方便，且效果很好的是KMnO4，但成本较高， 现改用工业上回收的Mn2(SO4)3、MnO2 与KOH(NaOH)，催化 剂用量要适中。 用其他过渡金属Co、Cr、Fe、Ni等催化剂研究工作也
8.2 液相催化氧化
液体有机化合物在催化剂作用下通空气进行的氧化反应。 应用的对象：烷烃(包括直链烷烃、环烷烃)及芳烃侧链的 烷基氧化。 烷烃氧化深度不同可得到醇、醛、酮、羧。对直链烷烃 来说，低C的采用气相催化氧化，高C烷烃一般采用液相催 化氧化制高C脂肪酸或高C脂肪醇。高C醇是表面活性剂的重 要原料，高C脂肪酸用于制肥皂、抗冻剂、增塑剂、泥浆和 混凝土的添加剂。 环烷烃氧化: